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热热 喷喷 涂涂11.喷涂技术的原理2.热喷涂技术的分类及其特点3.热喷涂材料4热喷涂工艺流程和质量控制5.热喷涂方法6.喷涂工艺的选择原则7.热喷涂技术的应用8.热喷涂的涂层质量评定提提 纲纲21.1.热喷涂原理热喷涂原理 利用热能将喷涂材料熔化，再借助高速气流将其雾化，并在高速气流的带动下粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。一、一、喷涂技术的原理喷涂技术的原理3（1）喷涂材料被加热到熔融状态。（2）喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞 击基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。（3）熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形成涂层。2.涂层形成过程涂层形成过程4 涂层性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能不一致。涂层中伴有氧化物等夹杂，存在部分孔隙，孔隙率420。3.涂层结构涂层结构（1）涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起，形成一层堆积而成的层状结构。5 涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：（1）喷涂角度不同造成的遮蔽效应；（2）涂层材料凝固收缩时形成的空隙。孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于加热源、喷涂材料及喷涂工艺。涂层结构涂层结构（2）6 涂层冷凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生残余张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。4.涂层应力涂层应力（1）7 残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施：（1）调整喷涂工艺参数；（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；（3）采用梯度过渡层缓和涂层内应力。涂层应力涂层应力（2）8 包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结合形式有：（1）机械结合：撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。5.涂层的结合强度涂层的结合强度（1）9（2）物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理结合。（3）冶金-化学结合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强度较差(70MPa)。涂层的结合强度涂层的结合强度（2）10 1.1.热喷涂技术的分类热喷涂技术的分类 按热源分类，各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。二、热喷涂技术的分类及其特点二、热喷涂技术的分类及其特点11（1）可在各种基材上制备各种涂层；（2）基材温度低（30 200），热影响区浅，变形小；（3）涂层厚度范围宽（0.5 5mm）；（4）操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5）加热效率低，喷涂材料利用率低，（6）涂层与基体结合强度低。2.热喷涂技术的特点热喷涂技术的特点121.喷涂材料的分类和要求喷涂材料的分类和要求 热喷涂按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。三、热喷涂材料三、热喷涂材料13热喷涂材料分类热喷涂材料分类（金属类）14热喷涂材料分类热喷涂材料分类（非金属类）15（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末）。（2）有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。（3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。（4）喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。1.热喷涂材料的要求热喷涂材料的要求16（1）要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择合理的喷涂材料。（2）对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。（3）根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。（4）为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂层。2.热喷涂材料的选材原则热喷涂材料的选材原则17 质 量 控 制 要 素（4M）：设 备（Machine）、材 料（Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程。四、热喷涂工艺流程和质量控制四、热喷涂工艺流程和质量控制18热喷涂工艺流程热喷涂工艺流程19（1）净化处理：清除表面污垢。（2）粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。1.基材表面预处理基材表面预处理 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：1）提供表面压应力；2）提供与涂层颗粒互锁机会；3）增大结合面积；4）净化表面。201）表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.212.5m；粗化处理的方法粗化处理的方法（1）212）开槽；粗化处理的方法粗化处理的方法（2）22粗化处理的方法粗化处理的方法（3）4）喷涂粘结底层。3）电火花拉毛；23 封孔处理的目的：（1）防止或阻止涂层界面处的腐蚀；（2）在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露；（3）防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；（4）保持陶瓷涂层的绝缘强度。封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。2 涂层的后处理（封孔处理）涂层的后处理（封孔处理）24常用封孔剂常用封孔剂251.火焰喷涂火焰喷涂 用氧乙炔气体作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。五、热喷涂方法五、热喷涂方法26常用的火焰喷涂材料及用途常用的火焰喷涂材料及用途27线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。（1）线材火焰喷涂）线材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理图。28（2）粉末火焰喷涂 粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。（2）粉末火焰喷涂）粉末火焰喷涂29 工艺流程工件表面预处理预热喷涂打底层喷涂工作层后处理。a)预热目的：1）去除工件表面的水分；2）提高工件表面与熔粒的接触温度；3）降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。预热温度一般控制在150300为宜。可直接用喷枪预热。火焰喷涂工艺火焰喷涂工艺（1）30b)喷涂 需打底层时，可在喷涂工作层之前用钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷涂一层厚度约0.100.15mm的打底层。严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂距离（100150mm）、每道涂层的厚度（0.10.15mm）、喷枪与工件的移动速度（718mmin）和层间温度（120dB)，需有隔音和防护装置。（1）超音速喷涂的特点）超音速喷涂的特点44超音速喷涂的涂层质量优于等离子喷涂的涂层。（2）涂层性能及应用）涂层性能及应用45各种热喷涂方法比较各种热喷涂方法比较461 对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点2500，可采用火焰喷涂。2 对涂层性能要求较高，喷涂高熔点材料时，应采用等离子喷涂。3 工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。4 要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。5 对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。六、喷涂工艺的选择原则六、喷涂工艺的选择原则471.喷涂耐腐蚀涂层喷涂耐腐蚀涂层(1)铝、锌及其合金涂层：锌、铝的腐蚀电极电位高于铁，涂层有保护作用，可用于桥梁、铁塔等大型部件的防腐处理(在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量分数为30，则耐蚀性最佳)。(2)不锈钢涂层：不锈钢电极电位比铁高，易在涂层孔隙处产生电化学腐蚀，所以喷涂后必须封孔处理。(3)塑料涂层：用于化工、食品等行业。七、热喷涂技术的应用七、热喷涂技术的应用48(1)用于耐磨的涂层：1)涂层硬度超过磨料硬度：如氧化铝陶瓷涂层或镍基、钴基碳化钨涂层。用于轧辊、螺旋送料器等部件。(2)用于修复的涂层：喷涂铁基或镍基耐磨合金涂层。2.喷涂耐磨涂层喷涂耐磨涂层493 喷涂耐高温涂层(1)抗高温氧化的涂层：如超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层；用等离子喷涂氧化铝陶瓷涂层。(2)热障涂层：使金属基体与高温环境隔离，保持金属构件的力学性能。3.喷涂耐高温涂层喷涂耐高温涂层50 生物相容性涂层：在种植体(不锈钢等)表面用等离子喷涂一层生物相容性好的羟基磷灰石涂层，生物组织可以长入涂层中的孔隙中，与种植体形成牢固的结合。4.喷涂功能涂层喷涂功能涂层51（1）直接测量法：用卡尺或在显微镜下测量。（2）测厚仪测量法：1）涡流法：利用高频磁场引起金属内部涡流，涡流产生的磁场又影响探头的阻抗，测量其阻抗值就可确定涂层的厚度。2）磁性法：根据非磁性涂层对探头磁通量的变化值来测量。5.涂层的厚度涂层的厚度52（1）涂层拉伸结合强度：制备试样，涂层厚度大于0.38mm。用粘结剂把试样粘结在一起，然后将其拉断，拉伸结合强度：b FA0式中，b 为涂层结合强度；F为试样断裂载荷；A0为试样涂层面积。6.涂层结合强度涂层结合强度（1）53（2）涂层剪切强度：用粘结剂将涂层A粘在B上(a)，然后拉伸使涂层与基材分离；或用(b)方法在材料试验机上缓慢加压，直至涂层被剪切剥离，此时涂层的剪切强度F：式中，P涂层剪切剥离时的载荷；D试样末喷涂前的直径；L涂层在试样上的宽度。涂层结合强度涂层结合强度（2）54（3）涂层的弯曲强度：将涂层试样弯曲到一定角度时，涂层开始出现龟裂的弯曲角度就是涂层的弯曲强度。涂层结合强度涂层结合强度（3）55式中，m涂层材料密度（m可从相关手册中查得）。7.涂层的孔隙度涂层的孔隙度（1）（1）计算法：按图351加工涂层试样并称重，涂层密度c：式中G试样重量；s 基材密度；Vs基材体积；Vc涂层体积。根据c算出涂层孔隙度 孔隙度565 涂层的金相检测 用金相观察涂层的组织、涂层与基体的结合程度、涂层中的微观缺陷等。涂层的孔隙度涂层的孔隙度（2）（2）金相法：用金相显微镜中的栅格测定孔隙所占的格数，与总视场格数的比值即为涂层的孔隙度。（3）试剂法和 高压放电法。571.外观 涂层应无剥离、裂纹、大的变形等宏观缺陷。2.涂层的硬度 用布氏、洛氏、维氏和显微硬度法测量涂层硬度。八、热喷涂的涂层质量评定八、热喷涂的涂层质量评定58热热 喷喷 焊焊59 用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。一、热喷焊的特点一、热喷焊的特点601）工件表面温度：喷涂时工件表面温度900。2）结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。4）涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。5）承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。1.热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别（1）61 越大，涂层性能与原粉末性能偏差越大。喷焊层的约510，喷涂层的几乎为零。热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别（2）6）涂层稀释率：式中A喷焊金属质量；B基材熔化的金属质量。62 自熔性合金粉末：利用合金中B、Si元素的作用，获得高质量的喷焊层。B、Si的作用是：（1）降低合金熔点，扩大固液两相区（熔点9501200）。（2）起到脱氧还原作用。（3）起到造渣作用。（4）利用B、Si固溶强化、弥散强化、生成的金属间化合物以及硼碳化合物等，提高合金的硬度和耐磨性。（5）使自熔性合金有良好的喷焊工艺性能。二、常用热喷焊材料二、常用热喷焊材料63 常用的热喷焊材料分为铁基、镍基、钴基和铜基四大类。三、热喷焊材料分类三、热喷焊材料分类64 用氧乙炔火焰作为喷焊的热源，把自熔合金粉末喷涂在基材表面，然后在基材不熔化的前提下加热熔化涂层，获得致密的、结合牢固的喷焊层。（1）火焰喷焊设备 喷焊枪1 1、氧、氧乙炔火焰喷焊乙炔火焰喷焊四、热喷焊方法四、热喷焊方法65（1）预处理：清洁、粗化被处理工件表面；（2）预热：使工件产生适当的热膨胀，减少喷焊层应力。（3）喷粉和重熔：1）一步法：边喷粉边熔化。特点是粉末沉积率高，但涂层厚度不均匀。2）二步法：先喷涂，然后用重熔枪将涂层熔化形成喷焊层（“镜面”反光）。（4）后处理：喷焊较硬涂层时，应采取喷焊后缓冷的措施。2.火焰喷焊工艺火焰喷焊工艺663.火焰喷焊的应用火焰喷焊的应用671 等离子喷焊设备 一般采用联合弧。喷嘴的长度L和直径d比(称为压缩比)通常在11.4之间，以获得柔性弧。喷焊枪要固定在机械摆动装置上左右摆动。2 2、等离子喷焊、等离子喷焊68 与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点：（1）生产效率高。（2）稀释率低(5)。（3）工艺稳定性好，易实现自动化。（4）喷焊层平整，成分均匀，可获得0.258mm任意厚度喷焊层。3.等离子喷焊的特点等离子喷焊的特点69 喷焊工艺参数有：转移弧和非转移弧电流、喷焊速度、送粉量、气体流量、喷枪摆动频率和幅度，喷嘴距工件距离等。2.等离子喷焊工艺等离子喷焊工艺（1）转移弧电流：对喷焊层的形状、稀释率有较大的影响。（2）喷焊枪的摆动：摆动轨迹对喷焊层的截面有影响。70等离子喷焊的应用等离子喷焊的应用71 喷焊层主要评定指标有涂层厚度、硬度、稀释率、结合强度以及界面和涂层显微结构等。五、喷焊层质量评定五、喷焊层质量评定72